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面向5G NR下行链路MIMO检测技术的研究与实现

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面向5G NR下行链路MIMO检测技术的研究与实现

作者：栾雪怡华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

5G NR覆盖域广连续性强的应用场景为多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术提出了更高的性能要求,MIMO信号检测技术作为MIMO技术中的一个重要领域,对提高移动通信系统的信息容量和传输性能有着重大影响,成为现代无... 详细信息

5G NR覆盖域广连续性强的应用场景为多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术提出了更高的性能要求,MIMO信号检测技术作为MIMO技术中的一个重要领域,对提高移动通信系统的信息容量和传输性能有着重大影响,成为现代无线通信系统的一个研究热点。本文主要研究了应用于5G NR系统下行链路的MIMO检测相关算法和ASIC硬件实现。本文首先介绍了移动通信系统的发展历史和5G NR系统的业务需求,说明了研究MIMO检测技术的背景意义,总结了 MIMO检测技术在现阶段的研究现状。之后介绍了 5G NR系统下行物理层的基础通信概念,包括帧结构和物理资源的概念、下行物理信号和物理信道的特点、下行物理信道的信息传输流程以及MIMO检测技术的基本原理等。其次研究了 MIMO检测技术的相关算法,在Matlab搭建的5G NR下行链路MIMO检测仿真模型的基础上进行算法仿真测试,对两种检测算法和三种插值算法进行性能评估和复杂度分析。从性能和计算复杂度两方面考虑,选择使用MMSE检测算法和线性插值算法作为5G NR下行链路MIMO信号检测的实现算法。根据所选算法设计MIMO检测模块的硬件架构,分别对初始导频点均衡矩阵计算子模块、频域插值子模块、时域插值子模块以及解调子模块的硬件实现过程进行详细阐述。在Linux系统下搭建模块仿真验证平台,对基于高斯信道环境的MIMO信号检测模块的逻辑功能正确性进行验证,通过仿真得到的时序波形进行吞吐量分析。通过逻辑综合得到模块的资源消耗报告和综合时序报告,验证了算法硬件实现的可行性,最终的实现结果符合预期的设计要求。最后在MIMO检测模块硬件实现的基础上对其量化方案进行研究与优化,介绍块浮点量化方案和半精度浮点量化方案的基本原理与实现方法,通过仿真对比选择使用半精度浮点量化方式代替块浮点量化方式以提高设计性能。

关键词： MIMO信号检测 5G NR MMSE检测算法 ASIC硬件实现

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面向高速移动场景的5G NR信道估计研究

面向高速移动场景的5G NR信道估计研究

作者：陈颖重庆大学

学位级别：硕士

随着应用场景、用户需求和技术演进的需要,5g新空口(New Radio,nr)通信应运而生。信道估计在5G NR通信系统中起着至关重要的作用,准确高效的信道估计算法可以保障通信的可靠性与时效性,确保整个系统的通信性能。针对城市轨道交通、城际... 详细信息

随着应用场景、用户需求和技术演进的需要,5g新空口(New Radio,nr)通信应运而生。信道估计在5G NR通信系统中起着至关重要的作用,准确高效的信道估计算法可以保障通信的可靠性与时效性,确保整个系统的通信性能。针对城市轨道交通、城际高铁和车联网等高速移动环境,无线信道面临频率选择性和时间选择性衰落(双选衰落)的问题,这给信道估计带来了严峻的挑战,使得信道状态信息的准确获取变得困难,影响行车通信质量和驾驶安全。考虑到信道估计在5G NR中的重要性,高效且准确的信道估计研究十分重要。有鉴于此,本文针对高速移动场景下的5G NR信道估计展开研究。本文的主要工作内容如下:第一,对于高速环境下无线信道传播特征进行了分析,主要包括信道的双选衰落特性,并搭建了信道估计系统模型,对不同的衰落信道进行了仿真。分别从导频处和数据处估计出发,对传统的信道估计方法进行了介绍,并由仿真结果分析了传统估计算法所存在的不足。第二,为了解决传统算法无法跟踪快时变信道的问题,本文提出了一种联合判决反馈的扩展卡尔曼滤波-反向递归(Extended Kalman Filter-Backward Recursion,EKF-BR)信道估计算法,对信道响应和时域相关系数进行估计,遵循状态预测与状态更新的迭代循环,实现追踪信道变化。系统仿真结果表明,在不同多普勒场景下,所提EKF-BR算法相比传统信道估计算法可以有效提升信道估计的准确度,具有较优的估计性能。第三,为进一步提升信道估计的准确性和降低算法复杂度,将深度学习与信道估计相结合,由于信道矩阵和图像之间存在一定的相似性,利用深度学习在图像恢复的原理,本文提出了信道估计残差网络(Channel Estimation Residual Networks,CE-Res Net)算法,将信道估计转换为图像恢复问题,在经过LS信道估计后得到低分辨率图像的基础上,用CE-Res Net实现对高分辨率图像的恢复即完整资源网格的恢复。经过CE-Res Net在线估计使得算法复杂度大大降低,且能更为准确地学习信道的变化特征以追踪信道的变化。通过仿真分析,证实了所提算法具有出色的估计性能,能够明显提升系统通信性能,而且具有更强的算法鲁棒性,适用于高速环境下的信道估计。

关键词：信道估计 5G NR 双选信道扩展卡尔曼滤波残差网络

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5G NR通信雷达一体化系统雷达性能分析

电子科技大学学报 2022年第6期51卷 847-855页

作者：叶启彬胡泽林黄驿轩胡苏崔国龙张振宇电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都611731 电子科技大学信息与通信工程学院成都611731 北京小米移动软件有限公司北京海淀区100044

随着无线通信5g/6g技术的发展,基于通信雷达一体化(RadCom)技术的新兴业务不断涌现。为实现基于5g新空口(nr)的RadCom,需考虑3gPP定义的最新5G NR无线通信标准所涵盖的多种部署场景,然而,在不同场景中雷达探测性能会受限于5G NR参数集... 详细信息

随着无线通信5g/6g技术的发展,基于通信雷达一体化(RadCom)技术的新兴业务不断涌现。为实现基于5g新空口(nr)的RadCom,需考虑3gPP定义的最新5G NR无线通信标准所涵盖的多种部署场景,然而,在不同场景中雷达探测性能会受限于5G NR参数集。因此,需在特定的场景下,探索采用不同5G NR参数集的雷达探测性能。以车联网(IoV)场景的雷达探测需求和基础雷达性能参数计算准则为约束,给出了不同5G NR参数集条件下的雷达探测性能仿真分析,为未来基于5G NR标准及其部署场景的RadCom系统设计及优化给出指导性建议。

关键词： 5G NR 车联网正交频分复用通信雷达一体化

5G NR频偏与信道估计算法研究及VSA实现

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5G NR频偏与信道估计算法研究及VSA实现

作者：赵文超中北大学

学位级别：硕士

第五代移动通信(5th generation Mobile Communication,5g)新空口(New Radio,nr)作为新一代移动通信系统,在近年来得到蓬勃发展,已经正式开始商用,成为研究热点。一方面,5g下行采用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术对频偏非常敏感,极易造成接收信号失真;另一方面,信号经过无线信道传输后会产生衰落的现象,导致信号解析能力严重下降,所以频偏估计和信道估计模块对提高信号分析能力具有至关重要的作用。对于通信测试仪器而言,要求频偏估计范围比通信设备更大。传统的频偏估计算法都有其局限性,例如基于循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的频偏估计算法估计性能较差,而基于解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS)的频偏估计算法精度较高,均方误差小于10(信噪比30d B),但是估计范围小。同时,为了使通信测试仪器对不同信道环境下的信号具有更高的解析性能,需要采用性能更佳的信道估计算法,而传统的线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Squared Error,LMMSE)信道估计算法性能较好但是复杂度太高,在应用过程中严重影响系统的解析速度。针对上述算法存在的问题,本文依据5G NR特性,研究了频偏与信道估计算法。主要开展工作及创新点如下:1、提出了可实用化的DMRS-CP联合频偏估计算法。该算法利用了基于DMRS的频偏估计精度高以及基于CP的频偏估计范围大的特点,在子载波间隔为30k Hz时估计范围从(-1.557k Hz,1.557k Hz]提升到(-15k Hz,15k Hz],并且算法估计范围增加的同时仍有较高的估计精度。2、提出了基于滑动窗的改进LMMSE信道估计算法。该算法针对信道相关矩阵运算造成LMMSE算法复杂度高的问题,以滑动窗的方式构造信道自相关矩阵,对原矩阵实施降阶处理。计算复杂度表明,与传统LMMSE算法相比,算法复杂度降低了99.74%,具有更高的工程可实现性。3、本文提出的DMRS-CP频偏估计算法、基于滑动窗的信道估计算法,在矢量信号分析(Vector Signal Analysis,VSA)软件平台中进行了验证和应用。实验结果表明,频偏在-100Hz和-14.99k Hz时估计精度达到±0.1Hz,误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)优于1%(中心频率1gHz,带宽100MHz,信噪比40d B,256QAM),提升了软件的解析性能。

关键词： 5G NR 频偏估计信道估计解调参考信号矢量信号分析软件

基于长循环前缀搜索的5g上行控制信道同步算法

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国外电子测量技术 2023年第6期42卷 43-48页

作者：武光耀张明韩翔戴永寿中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院青岛266580 中电科思仪科技股份有限公司青岛266555

针对现代信号分析仪中5g新空口(nr)信号物理层的调制质量测试需求,并为了解决5G NR上行控制信道的同步问题,通过对5G NR物理层协议中的帧结构以及上行控制信道的特征分析,设计了一种基于长循环前缀搜索和解调参考信号参数盲检的同步算... 详细信息

针对现代信号分析仪中5g新空口(nr)信号物理层的调制质量测试需求,并为了解决5G NR上行控制信道的同步问题,通过对5G NR物理层协议中的帧结构以及上行控制信道的特征分析,设计了一种基于长循环前缀搜索和解调参考信号参数盲检的同步算法。首先利用长循环前缀搜索确定出半子帧的起始位置,再由此位置结合时频分布特征提取解调参考信号,然后生成本地解调参考信号对其进行参数盲检,由盲检得出的时隙索引进一步确定出半子帧的索引,从而实现对帧起始位置的确定。最后利用信号分析仪采集数据并对算法进行仿真实验,结果表明算法可以有效实现5G NR上行控制信道的同步过程,并且计算量仅为传统算法的1%。

关键词：信号分析仪 5G NR 上行控制信道同步

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适用于5G NR的可重构BP译码器

适用于5G NR的可重构BP译码器

作者：邹文豪南京大学

学位级别：硕士

为进一步提升数据传输速率、减小延迟、提高系统容量,第五代移动通信技术(5g)应运而生。5g作为新一代蜂窝移动通信技术,有三大应用场景:增强型移动宽带(e MBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器通信(m MTC)。5g的首个标准版本Relea... 详细信息

为进一步提升数据传输速率、减小延迟、提高系统容量,第五代移动通信技术(5g)应运而生。5g作为新一代蜂窝移动通信技术,有三大应用场景:增强型移动宽带(e MBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器通信(m MTC)。5g的首个标准版本Release 15的发布,标志着5g标准化取得重大进展。标准规定了增强型移动宽带场景下,控制信道编码采用Polar码,数据信道编码采用QCLDPC码,这为Polar码和QC-LDPC码提供了很好的同时应用的场景。目前单一的Polar码及QC-LDPC码译码器的优化实现已经被广泛研究,可以实现较好的吞吐率和能效,但共模设计鲜有提及。随着摩尔定律发展放缓,通过探索两种译码算法在原理上的相似性,实现共模的Polar码和QC-LDPC码编译码器可提升硬件的利用率,满足5g中的高能效需求。本文结合可重构技术和两种编码方式下的BP译码算法在5G NR标准下开展了如下工作:第一,通过对Polar码和QC-LDPC码的BP译码算法进行算法分析与算子拆分,证明了基于可重构方式的BP译码器的可行性,并就此设计了适用于该策略的存储方式和可重构计算单元(CU)阵列。支持Polar码和QC-LDPC码端到端的BP译码。第二,在实现QC-LDPC码译码器时,针对其在可重构CU阵列上的映射,设计了基于可重构Reverse Banyan网络和QSN网络的循环移位器。可重构Reverse Banyan网络通过提前终止拆分为不同规模的子循环网络,结合QSN网络以支持5G NR下全部51种Z值的循环移位,与纯QSN网络相比,二选一MUX数减少55.5%。第三,所设计的高并行度BP译码器支持帧内并行和帧间并行两种模式,帧内并行情况下Polar码译码最大吞吐率为5.63gbps,QC-LDPC码译码最大吞吐率为668.13Mbps;帧间并行情况下Polar码译码最大吞吐率为16.64gbps,QCLDPC码译码最大吞吐率为4.75gbps;相比较于单一的Polar码译码器和QCLDPC码译码器,总面积减小了25.7%;适用于5g中能效、面效要求比较高的应用场景。

关键词： 5G NR 可重构技术 Polar码 QC-LDPC码 BP译码

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5G NR下行同步方法研究

现代电子技术 2023年第13期46卷 12-18页

作者：李勇韩博文袁冰凡时雷车银超马新明丁红河南农业大学信息与管理科学学院河南郑州450046 河南省农业农村科技教育中心河南郑州450008

5g新频段(5G NR)下行同步技术作为5g新空口场景下通信功能实现的重要支撑技术,一直都是通信领域关注的焦点。文中针对5G NR下行同步方法进行研究。首先,研究下行同步技术,分析了下行同步过程包含的技术与工作流程,分别设计了主同步信号... 详细信息

5g新频段(5G NR)下行同步技术作为5g新空口场景下通信功能实现的重要支撑技术,一直都是通信领域关注的焦点。文中针对5G NR下行同步方法进行研究。首先,研究下行同步技术,分析了下行同步过程包含的技术与工作流程,分别设计了主同步信号和辅同步信号的检测算法;其次,为了提高信号检测效率,针对主同步信号检测算法进行改进,提出了降采样分段检测算法,大幅度降低了信号检测的工作量与复杂度,节省了检测时间和资源;最后,对5G NR下行同步进行了仿真设计与实现,仿真得到的数据与数学分析结果一致,验证了仿真模块功能设计的可行性和正确性。

关键词： 5G NR 下行同步技术下行同步方法下行同步工作流程同步信号检测分段检测算法仿真设计

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多标准共享交织器专用处理器设计与仿真实现

多标准共享交织器专用处理器设计与仿真实现

作者：霍科佳海南大学

学位级别：硕士

随着5G NR(New Radio)标准的发展,该通信链路中的编码方案成为近年来研究热点,在5G NR数据信道采用LDPC(Low Density Parity Check Code)码编码方案,控制信道中采用polar码编码方案。结合4g LTE(Long Term Evolution)通信链路中采用的tu... 详细信息

随着5G NR(New Radio)标准的发展,该通信链路中的编码方案成为近年来研究热点,在5G NR数据信道采用LDPC(Low Density Parity Check Code)码编码方案,控制信道中采用polar码编码方案。结合4g LTE(Long Term Evolution)通信链路中采用的turbo码和卷积码,本文针对这四种编码物理层的比特信息处理流程进行研究。对于四种码编码之后输出的比特流,要经过速率匹配过程,以选择与信道资源相匹配的信息比特进行传输,速率匹配过程中又涉及到交织部分,对编码比特进行数据重排序,从而提高通信系统的抗干扰性。本文针对四种编码交织处理,提出一种硬件共享方案,用于实现4g LTE和5G NR链路资源共用。首先,提出了turbo码子块交织和LDPC码比特交织在存储上的共享,对两种编码块交织的存储器进行设计,并给出相应该设计方案中的指令部分、电路框图。同时用数据流图表示两种码在任意编码输出长度下,比特索引的寻址过程,最后给出仿真结果。接着在两种编码的基础上,加上了卷积码和polar码的速率匹配流程,对四种编码在交织过程中的寻址方案分别给出电路实现框图。然后结合地址计算单元,提出硬件电路复用的方法,给出硬件的顶层架构、系统指令、以及实现数据读写的流程图,最后进行算法上和硬件的仿真。本文提出的设计,主要用于4g LTE和5G NR通信链路,首先在硬件上进行模块共享,从资源利用角度来看,减小了硅面积和硬件开销;同时可以在四种编码之间来回切换,提高了系统的灵活度;对于交织器的实现,本文提出了一种并行交织方案,通过存储划分,在一个时钟内可处理多个比特数据,提升了系统的吞吐量。

关键词：速率匹配交织硬件复用 4g LTE 5G NR

面向5G NR标准的多天线无线传输验证平台的设计与实现

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面向5G NR标准的多天线无线传输验证平台的设计与实现

作者：王康东南大学

学位级别：硕士

近年来,随着移动互联网产业的飞速发展,移动应用数据量呈现爆炸式增长态势,第五代移动通信技术(5g,5 generation Mobile Communication)应运而生。作为5g的关键技术,多天线技术和毫米波通信技术是当今5g研究中的两大热点。多天线技术通... 详细信息

近年来,随着移动互联网产业的飞速发展,移动应用数据量呈现爆炸式增长态势,第五代移动通信技术(5g,5 generation Mobile Communication)应运而生。作为5g的关键技术,多天线技术和毫米波通信技术是当今5g研究中的两大热点。多天线技术通过波束成形可以有效补偿毫米波信号的严重传输损耗,而波长较短的毫米波有利于大规模天线阵列的集成化,两者结合可以带来大带宽、高频谱效率、高数据速率等诸多好处。然而,多天线毫米波通信技术在给系统带来显著性能提升的同时,也面临许多新的挑战。本文在针对面向5g新空口(nr,New Radio)标准的大规模多输入多输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)系统进行空口同步模块完善的基础上,构建了面向5G NR标准的多天线毫米波传输验证系统,并对人工智能(AI,Artificial Intelligence)辅助优化的波束追踪算法进行了研究。具体研究内容如下:首先,针对大规模MIMO原型验证系统进行了空口同步模块的设计与实现。在介绍了大规模MIMO原型验证系统软硬件架构的基础上,给出了适用于大规模MIMO系统的具体同步方案设计与实现细节,包括基于主同步信号的定时同步算法的设计与实现以及基于循环前缀的频率同步算法的设计与实现,完成对无线帧起始位置的定位以及系统频偏的估计与补偿,并结合实际视频传输演示对大规模MIMO原型验证系统以及同步模块的性能进行了测试验证。接着,在深入学习理解5G NR标准后,依据标准规范对毫米波传输验证平台的物理层进行了设计。在参照5G NR标准确定了系统主要参数指标、无线帧结构以及系统模型的基础上,对物理层数据流程进行了具体设计,并对UDP传输帧结构设计以及信道估计与均衡算法设计作了详细介绍。特别地,针对利用多天线实现毫米波波束成形部分,进一步完成了对包括同步信号块、波束码本、波束扫描与测量时序、波束管理方案等关键模块的设计。然后,在已建立的物理层框架基础上,对毫米波传输验证平台的软硬件架构和具体实现细节展开详细介绍。在给出了系统的软硬件组成、软硬件架构设计以及软硬件具体分工设计后,对软件无线电(SDR,Software Defined Radio)处理单元和服务器处理单元上所部署的关键模块的设计与实现细节先后进行了详细介绍。SDR处理部分包括基带处理、参考信号接收功率测量、波束控制信号生成、波束管理策略以及UDP收发的设计与实现等,服务器端则主要侧重于对AI辅助优化的波束追踪算法的具体程序实现方案进行介绍。最后,完成了对多天线毫米波传输验证平台的演示与验证,并基于该平台对AI辅助优化的波束追踪算法进行了对比测量方案的设计与实际性能的测试验证。多天线毫米波传输验证平台的演示与验证通过传输高清视频数据流的方式完成,在此基础上,针对AI辅助优化的波束追踪算法设计了两组对比测量实验,包括不同环境下的性能测试对比以及不同算法间的性能测试对比,并根据测量结果,对该算法的鲁棒性、波束追踪效率、波束追踪准确度等多方面性能进行分析。

关键词：软件无线电多天线毫米波 5G NR 空口同步波束追踪